JP3710329B2

JP3710329B2 - Semiconductor laser device and manufacturing method thereof

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Publication number: JP3710329B2
Application number: JP18813999A
Authority: JP
Inventors: 肇斉藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-07-01
Filing date: 1999-07-01
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2019-07-01
Also published as: JP2001015859A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振器端面およびその近傍に窓構造領域を設けて高出力動作時の特性を向上させた半導体レーザ素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高出力動作時における半導体レーザ素子の共振器端面の破壊、いわゆるＣＯＤ（ＣａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃＯｐｔｉｃａｌＤａｍａｇｅ）レベルを向上させるために、例えば特開平９−２３０３７号公報には図９に示すような窓構造を有する半導体レーザ素子が開示されている。
【０００３】
この図９において、（ａ）は光出射端面を含む斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩａ−ＩＩａ’線における導波路の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ’線における層厚方向の断面図である。
【０００４】
図９において、１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層、３は量子井戸活性層、４ａはｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層、４ｂはｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層、５はｐ型ＧａＡｓコンタクト層、６（斜線部）は空孔拡散領域、８（斜線部）はプロトン注入領域、９はｎ側電極、１０はｐ側電極、２０はレーザ共振器の光出射端面、３ａは活性層３のレーザ発光に寄与する活性領域、３ｂは活性層３の光出射端面２０およびその近傍に形成された窓構造領域である。
【０００５】
この半導体レーザ素子の製造について、図１０を用いて説明する。
【０００６】
まず、図１０（ａ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層２、量子井戸活性層３およびｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層４ａを順次エピタキシャル成長する。
【０００７】
次に、図１０（ｂ）に示すように、第２クラッド層４ａ表面をＳｉＯ₂膜１６で覆い、レーザ共振器端面に達しない長さでレーザ共振器方向に延びるストライプ状開口部１６ａを形成する。
【０００８】
続いて、このウエハをＡｓ雰囲気下において８００℃以上の温度でアニールすると、ＳｉＯ₂膜１６がそれに接する第２クラッド層４ａ表面からＧａ原子を吸収し、第２クラッド層４ａ中にＧａ空孔を生じさせる。さらに、この空孔がアニールによって結晶内部に拡散し、量子井戸活性層に達すると量子井戸構造を無秩序化させる。無秩序化した活性層領域では実効的な禁制帯幅が広がるため、発振レーザ光に対して透明な窓構造領域として機能する。
【０００９】
その後、ＳｉＯ₂膜１６を除去し、図１０（ｃ）に示すように、第２クラッド層層４ａ上にｐ型ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層４ｂおよびｐ型ＧａＡｓコンタクト層５を順次エピタキシャル再成長する。
【００１０】
次に、コンタクト層５上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によって上記ＳｉＯ₂膜のストライプ状開口部１６ａと同じ領域に図１０（ｄ）に示すようなストライプ状レジスト１７を形成する。そして、このレジスト１７をマスクとしてコンタクト層５の上方からプロトン注入を行って電流ブロック層となる高抵抗領域８を形成する。
【００１１】
最後に、ＧａＡｓ基板１側にｎ側電極９、コンタクト層５上にｐ側電極１０を形成し、ウエハを劈開することにより共振器端面を形成して図９に示した半導体レーザ素子を得る。
【００１２】
上記公報には、この従来の半導体レーザ素子によれば、イオン注入によって活性層を無秩序化する場合に比べて、窓構造を備えた半導体レーザ素子が本来有する高光出力動作を可能にできると共に端面破壊レベルを高くして高信頼性を得ることができる旨が記載されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体レーザ素子の製造方法には、以下のような問題点がある。
【００１４】
窓構造領域を形成後にＳｉＯ₂膜を除去すると、窓構造領域と活性領域の境界を判別することができない。よって、電流ブロック層を形成する際にプロトン注入マスクとなるレジスト領域と窓構造領域とを位置合わせするために、別途位置合わせ用のマーキング工程等を行う必要がある。
【００１５】
さらに、活性領域がレーザ端面に達したり、窓構造領域とプロトン領域にずれが生じると、半導体レーザ素子の信頼性や諸特性が悪化するため、上記位置合わせには高い精度が要求される。
【００１６】
このような理由から、上記従来の半導体レーザ素子構造では、工程数の増加や精度保持に高い技術が要求され、半導体レーザ素子の量産時に歩留りを高くすることができないという問題があった。
【００１７】
本発明はこのような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、高出力動作時の信頼性に優れ、高い歩留りで作製することができる窓構造の半導体レーザ素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第１導電型の基板上に、少なくとも第１導電型の第１クラッド層、量子井戸活性層、第２導電型の第２クラッド層、第２導電型の第３クラッド層および第２導電型のキャップ層を順次成長させる工程と、該第３クラッド層および該キャップ層を共振器方向のリッジストライプ状に加工する工程と、該リッジストライプの両側面、および該リッジストライプ上にわたって第１導電型の電流ブロック層を成長させる工程と、該電流ブロック層上に、該リッジストライプと略直交する方向のストライプ状ＳｉＯ₂膜を形成する工程と、次いで、アニールにより該ＳｉＯ₂膜直下の該量子井戸活性層部分を選択的に無秩序化する工程と、次いで、該ストライプ状ＳｉＯ₂膜をマスクとして、リッジストライプ上における該ＳｉＯ₂膜が設けられた領域以外の前記電流ブロック層を除去して、前記キャップ層部分を露出させる工程と、その後に、少なくとも光出射端面が該量子井戸活性層の無秩序化領域を含むように共振器を形成する工程とを含む。
前記ＳｉＯ₂膜をスパッタリング法により形成するのが好ましい。
前記ＳｉＯ₂膜をレジストマスクを用いたリフトオフ法によりストライプ状に形成するのが好ましい。
【００１９】
前記量子井戸活性層を構成する全井戸層厚が５０ｎｍ以下であるのが好ましい。
【００２０】
前記第３クラッド層の層厚が１．０μｍ以上１．５μｍ以下であるのが好ましい。
【００２１】
前記電流ブロック層のドーパントがＳｉであり、そのキャリア濃度が７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であるのが好ましい。
【００２２】
前記端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けられた電流ブロック層は、共振器方向の長さが１０μｍ以上６０μｍ以下であるのが好ましい。
【００２３】
前記端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けられた電流ブロック層は、層厚が０．５μｍ以上１．５μｍ以下であるのが好ましい。
【００２７】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２８】
本発明にあっては、光出射端面およびその近傍に量子井戸活性層を無秩序化した窓構造領域を有しているので、高出力動作時に端面での光吸収が抑制されて端面劣化を防ぐことができる。さらに、共振器端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に第１導電型の電流ブロック層を備えているので、導波路部で端面への電流注入を防いで端面破壊レベルを向上させることができる。このリッジストライプは第２導電型の第３クラッド層で構成され、さらに第２導電型のキャップ層を有していてもよい。
【００２９】
この半導体レーザ素子は、例えば共振器端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に電流非注入領域を形成するためのマスクとしてＳｉＯ₂膜を用いれば、このＳｉＯ₂膜によって量子井戸活性層の無秩序化領域を形成することができる。よって、両領域の位置合わせ工程等を行わなくても、セルフアラインで電流非注入領域と窓構造領域とを形成することができる。
【００３０】
上記量子井戸活性層を構成する全井戸層厚が５０ｎｍ以下であれば、全井戸層を均一に無秩序化させることが可能である。
【００３１】
さらに、第３クラッド層の層厚が１．５μｍ以下であれば、量子井戸活性層とＳｉＯ₂マスクとの距離が短いので、全井戸層を均一に無秩序化させることが可能である。さらに、第３クラッド層の層厚が１μｍ以上であれば、高出力動作時にも光出力が飽和しないので好ましい。
【００３２】
上記電流ブロック層のドーパントとしてＳｉを用いれば、空孔の拡散を促進させて確実に無秩序化させることが可能である。さらに、電流ブロック層のキャリア濃度が７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であれば、量子井戸活性層を均一に無秩序化させることが可能であり、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であれば、Ｓｉ自身の異常拡散による特性悪化を防ぐことが可能である。
【００３３】
上記端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けられた電流ブロック層は、共振器方向の長さが１０μｍ以上６０μｍ以下であれば、十分な窓効果を保持することができる。
【００３４】
さらに、端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けられた電流ブロック層の層厚が０．５μｍ以上であれば、コンタクト層を形成した後でもその電流ブロック層部分を容易に確認可能である。さらに、その電流ブロック層部分が１．５μｍ以下であれば、再成長後にリッジストライプ状部分を露出させるためのエッチング除去工程が容易であり、量産時の歩留りが向上する。
【００３５】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法にあっては、レーザ構造およびリッジストライプ形成し、基板全面に電流ブロック層を成長させた後、電流通路となるキャップ層を露出させる際に、リッジストライプと略直交する方向のストライプ状ＳｉＯ₂膜を形成してこのＳｉＯ₂膜と直交していないキャップ層部分を露出させている。このＳｉＯ₂膜は共振器端面およびその近傍に電流ブロック層を残して電流非注入領域を形成するためのエッチングマスクとして役割を有すると共に、ＳｉＯ₂膜直下の量子井戸活性層部分を選択的に無秩序化させる役割も有している。従って、電流非注入領域と量子井戸活性層の無秩序化領域とを、両領域の位置合わせ工程等を行わなくても、セルフアラインで形成することが可能である。
【００３６】
上記ＳｉＯ₂膜をスパッタリング法によって形成することにより、無秩序化に必要なＧａ空孔を確実に生じさせることができるので好ましい。
【００３７】
さらに、上記ＳｉＯ₂膜をレジストマスクを用いたリフトオフ法によってストライプ状に形成することにより、後工程での活性領域の構造変化を抑制することができ、信頼性が向上するので好ましい。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
（実施形態１）
図１に本実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す。（ａ）は光出射端面を含む斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩａ−Ｉａ’線における導波路の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ’線における層厚方向の断面図である。
【００４０】
この半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１クラッド層１０２、ノンドープ量子井戸活性層１０３、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２クラッド層１０４およびｐ−ＧａＡｓエッチング停止層１０５が設けられている。
【００４１】
その上にｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３クラッド層１０６およびｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７で構成されたリッジストライプ１０９が設けられ、リッジストライプ１０９の側面はｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流ブロック層１１０で埋め込まれている。共振器の光出射端面１２０およびその近傍ではキャップ層１０７上にも電流ブロック層１１０が設けられて電流非注入領域１１５が構成され、共振器内部および光非出射端面１２１にはこのような電流非注入領域１１５を有していない。その上に電流ブロック層１１０および電流ブロック層が設けられていないリッジストライプ１０９上にわたってｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１６が設けられてその上にｐ型電極１１７が設けられ、基板１０１側にはｎ型電極１１８が設けられている。
【００４２】
さらに、光出射端面１２０およびその近傍の量子井戸活性層１０３は、電流非注入領域１１５の下方に、無秩序化により実効的な禁制帯幅が広くなった窓構造領域１１２を有している。
【００４３】
なお、図１（ｃ）において、キャップ層１０７が図１（ａ）の形状と異なるのは、エッチングを行った際に多少侵食されるためである。また、図１（ｃ）において、キャップ層１０７を点線で示しているのは、キャップ層１０７とコンタクト層１１６とが同じ材料および導電型であり、機能的にも視角的にも分離できないからである。
【００４４】
この半導体レーザ素子は、例えば以下のようにして作製することができる。
【００４５】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１を成長装置内にセットして第１回目の結晶成長により、図２（ａ）に示すようにキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第１クラッド層１０２、ノンドープ量子井戸活性層１０３、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．１７μｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第２クラッド層１０４、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．００３μｍのｐ−ＧａＡｓエッチング停止層１０５、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１．２μｍのｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ第３クラッド層１０６およびキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ０．７μｍのｐ−ＧａＡｓキャップ層１０７を順次成長させる。
【００４６】
このとき、ノンドープ量子井戸活性層１０３として、図３に示すような厚さ０．０１μｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ量子井戸層１３０、厚さ０．００５μｍの２層のＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ障壁層１３１および厚さ０．０３μｍのＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ光ガイド層１３２からなる３重量子井戸構造を形成する。
【００４７】
次に、上記半導体層が形成された基板を成長装置から取り出し、公知のフォトリソグラフィ法技術を用いてキャップ層１０７上に図２（ｂ）に示すようなストライプ状のレジストマスク１０８を形成する。そして、公知の選択エッチング技術を用いてエッチング停止層１０５に達するように第３クラッド層１０６およびキャップ層１０７をリッジストライプ１０９状に加工する。本実施形態では、硫酸と過酸化水素水の混合溶液を用いて第３クラッド層１０６の途中までエッチングし、その後、ＧａＡｓに対して選択性を有するフッ化水素酸を用いてＧａＡｓからなるエッチング停止層１０５で深さ方向のエッチングを停止させた。このときのリッジ幅はエッチング停止層１０５との界面において２μｍ〜３μｍとなるように調整した。
【００４８】
続いて、レジストマスクを除去し、基板を再度成長装置内にセットして第２回目の結晶成長により、図２（ｃ）に示すようにキャリア濃度３×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ１．０μｍのｎ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ電流ブロック層１１０を成長させる。
【００４９】
その後、基板を再度成長装置から取り出し、図２（ｄ）に示すように、厚さ０．１μｍのＳｉＯ₂ストライプ１１１をリッジストライプ１０９と直交するように形成する。このときのＳｉＯ₂ストライプ１１１の共振器方向の長さは４０μｍとし、ストライプ間隔はレーザ共振器長と同じ８００μｍとした。
【００５０】
次に、この基板をＡｓ雰囲気下において８００℃で５分間アニールする。このアニール中に、ＳｉＯ₂ストライプ１１１直下のｎ−ＡｌＧａＡｓ結晶表面からＧａ原子が吸収され、ｎ−ＡｌＧａＡｓ結晶内部にＧａ空孔が生成される。このＧａ空孔は拡散定数が大きいため、直ちに基板方向に拡散し、量子井戸活性層１０３に達すると量子井戸構造を無秩序化させる。これにより、図２（ｅ）に示すように、ＳｉＯ₂ストライプ１１１直下以外の量子井戸活性領域よりも実効的な禁制帯幅が広い窓構造領域１１２が形成される。
【００５１】
続いて、図２（ｆ）に示すように、レジストマスク１１３およびＳｉＯ₂ストライプ１１１をマスクとして、レジスト開口部１１４から露出した電流ブロック層１１０をキャップ層１０７に達するまでエッチング除去する。本実施形態では、硫酸と過酸化水素水の混合溶液を用いて時間制御でエッチングを行った。この工程により、ＳｉＯ₂ストライプ１１１直下の電流ブロック層１１０は電流非注入領域１１５として残される。その後、図２（ｇ）に示すように、レジストマスク１１３およびＳｉＯ₂ストライプ１１１を除去する。
【００５２】
次に、基板を再度成長装置内にセットして第３回目の結晶成長により、図２（ｈ）に示すようにキャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3で厚さ２．０μｍのｐ−ＧａＡｓコンタクト層１１６を成長させる。
【００５３】
その後、コンタクト層１１６の上面および基板１０１の下面に各々オーミック電極１１７、１１８を形成し、ウエハを劈開して共振器長を８００μｍに調整する。このとき、劈開位置が電流非注入領域１１５を含むように共振器を形成する。
【００５４】
最後に、劈開された両端面１２０、１２１にコーティング膜を形成する。本実施形態では光出射端面１２０に反射率１５％のＡｌ₂Ｏ₃膜を形成し、光非出射端面１２１に反射率９０％のＡｌ₂Ｏ₃膜を形成した。以上により図１に示した本実施形態の半導体レーザ素子が得られる。
【００５５】
このように、本実施形態の半導体レーザ素子は、ＳｉＯ₂ストライプ１１１によって、光出射端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に残した電流ブロック層１１０による電流非注入領域１１５と、量子井戸活性層１０３の無秩序化による窓構造領域１１２とがセルフアラインで形成される。従って、両領域を別工程で作製する従来の半導体レーザ素子と比べて、両領域の位置合わせ等の工程を必要とせず、また、位置ずれによる特性不良等も生じない。
【００５６】
さらに、電流非注入領域１１５はその他の平坦部に比べて電流ブロック層１１０の層厚分だけ表面が高くなっており、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法によるコンタクト層１１６の形成後もその段差が存在する。従って、劈開によるレーザ共振器形成の際に、劈開位置が電流非注入領域１１５を含むように共振器を形成するのが容易である。このとき、端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けられた電流ブロック層の層厚が０．１μｍ以上であればその機能を充分に果たすことができるが、コンタクト層１１６の形成後に段差確認を容易にするためには、０．５μｍ以上であるのが好ましい。また、２回目の結晶成長後にキャップ層１０７上に成長される電流非注入領域１１５以外の電流ブロック層１１０部分を歩留まり良くエッチング除去するためには、電流ブロック層の層厚が１．５μｍ以下であるのが好ましい。
【００５７】
次に、量子井戸活性層１０３中の量子井戸層１３０の層数と層厚を変化させて本実施形態の半導体レーザ素子を作製し、全量子井戸層厚と半導体レーザ素子のＣＯＤレベルとの関係を調べた結果を図４に示す。このときの量子井戸層１３０のＡｌ組成比はレーザ発振波長が７８０ｎｍとなるように調整した。
【００５８】
この図４から、層数によらず、全量子井戸層厚が５０ｎｍを超えるとＣＯＤレベルが低下することがわかる。この理由としては、全量子井戸層厚が５０ｎｍを超えると全ての量子井戸層が均一に無秩序化されず、レーザ光を吸収してＣＯＤに至ることが考えられる。従って、本発明の半導体レーザ素子において、全量子井戸層厚は５０ｎｍ以下であるのが好ましいことがわかる。
【００５９】
次に、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層１０６の層厚を変化させて本実施形態の半導体レーザ素子を作製し、第３クラッド層の層厚と半導体レーザ素子のＣＯＤレベルとの関係を調べた結果を図５に示す。
【００６０】
この図５から、第３クラッド層１０６の層厚が１．０μｍ未満ではキャップ層１０７による光吸収のために光出力が飽和し、ＣＯＤに至らなかった。一方、第３クラッド層１０６の層厚が１．５μｍを超えるとＣＯＤレベルが低下した。この理由としては、Ｇａ空孔の発生源であるＳｉＯ₂ストライプ１１１から量子井戸活性層１０３との距離が長くなるために量子井戸層が均一に無秩序化されず、レーザ光を吸収してＣＯＤに至ることが考えられる。従って、本発明の半導体レーザ素子において、第３クラッド層の層厚は１．０μｍ以上で、かつ、１．５μｍ以下であるのが好ましいことがわかる。
【００６１】
次に、ｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層１１０のドーパントおよびキャリア濃度を変化させて本実施形態の半導体レーザ素子を作製し、電流ブロック層のドーパント種およびキャリア濃度と半導体レーザ素子のＣＯＤレベルとの関係を調べた結果を図６に示す。このときのドーパントとしてはＳｉおよびＳｅを用いた。
【００６２】
この図６から、ドーパントとしてＳｅを用いるよりもＳｉを用いる方がＣＯＤレベルが高くなることがわかる。この理由としては以下のことが考えられる。Ｓｉは両性種であるのでIII族およびＶ族のいずれの格子位置にも入るが、このＳｉ（III）とＳｉ（Ｖ）の対は電気的に中性であるため、価電状態を変えることなく結晶格子内を容易に移動することができる。これにより、Ｇａ空孔の拡散を助長する働きがあると推察され、確実に無秩序化を生じさせることができると考えられる。
【００６３】
さらに、図６から、電流ブロック層のキャリア濃度については７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上でＣＯＤレベルが急激に高くなることがわかる。この理由は、７×１０¹⁷ｃｍ^-3未満ではＳｉ（III）とＳｉ（Ｖ）の対を作りにくいので、Ｇａ空孔の拡散による無秩序化が助長されないためであると考えられる。一方、キャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3を超えるとキャリア濃度が高すぎるため、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層１０４のｎ型化やｐ−ｎ接合位置のシフト等が生じ、良好なレーザ特性が得られなかった。従って、本発明の半導体レーザ素子において、電流ブロック層のキャリア濃度が７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であれるのが好ましいことがわかる。
【００６４】
次に、光出射端面１２０およびその近傍に形成した電流ブロック層１１０による電流非注入領域１１５の共振器方向の長さを変化させて本実施形態の半導体レーザ素子を作製し、電流非注入領域１１５の長さと半導体レーザ素子のＣＯＤレベルおよび動作電圧との関係を調べた結果を図７に示す。
【００６５】
この図７から、電流非注入領域１１５の共振器方向の長さが１０μｍ未満では充分な端面非注入効果が得られず、ＣＯＤレベルが低下することがわかる。一方、電流非注入領域１１５の共振器方向の長さが６０μｍを超えると、ＣＯＤレベルは高いが、電流通路が狭くなるために動作電圧が増大した。従って、本発明の半導体レーザ素子において、電流非注入領域１１５の共振器方向の長さは１０μｍ以上６０μｍ以下であるのが好ましいことがわかる。
【００６６】
（実施形態２）
本実施形態では、ＳｉＯ₂ストライプ１１１をスパッタリング法、プラズマＣＶＤ法および電子ビーム蒸着法によって各々形成し、ＣＯＤレベルを比較した。その他の構造および作製方法は実施形態１と同様にした。
【００６７】
下記表１に各ＳｉＯ₂膜形成方法によるＣＯＤレベルを示す。
【００６８】
【表１】

【００６９】
この表１から、スパッタリング法によってＳｉＯ₂膜を形成した半導体レーザ素子が最もＣＯＤレベルが高いことがわかる。
【００７０】
この理由は、スパッタリング法によるＳｉＯ₂膜は下地への密着性に優れており、Ｇａ空孔の生成と拡散を生じ易いためであると考えられる。従って、本発明の半導体レーザ素子において、ＳｉＯ₂膜をスパッタリング法により形成するのが好ましいことがわかる。
【００７１】
（実施形態３）
本実施形態では、ＳｉＯ₂ストライプ１１１を形成する際に、ストライプと反対のパターンのレジスト膜を予め形成してその上にＳｉＯ₂膜を形成した後、不要なＳｉＯ₂膜部分をレジスト共に除去する、いわゆる「リフトオフ法」によって非注入領域分を形成して半導体レーザ素子を作製した。さらに、比較のためにＳｉＯ₂膜を全面に形成した後でレジストストライプを形成し、エッチングによってＳｉＯ₂ストライプ１１１を形成して半導体レーザ素子を作製した。その他の構造および作製方法は実施形態１と同様にした。
【００７２】
図８に、両半導体レーザ素子について、１０００時間の寿命試験を行ったエージング結果を示す。なお、寿命試験は動作温度６０℃、レーザ出力１２０ｍＷの連続駆動条件で行った。
【００７３】
通常、エージング寿命が１０００時間以上であれば使用上問題は生じない。図８に示すように、エッチング法によってＳｉＯ₂膜をストライプ加工した半導体レーザ素子においてもこの基準を満たしているが、リフトオフ法によってＳｉＯ₂膜を加工した半導体レーザ素子はさらに長寿命であることがわかる。
【００７４】
この理由としては、以下のようなことが考えられる。ＳｉＯ₂ストライプ１１１の下にＧａ空孔が生成されるのは主としてアニール処理を行った後であるが、アニール処理前であってもＳｉＯ₂膜が接しているＡｌＧａＡｓ界面においてはＳｉＯ₂膜形成時の温度や衝撃によって若干のＧａ空孔が生成される。リフトオフ法を用いる場合には、無秩序化領域以外は予めマスクされているので、ＳｉＯ₂膜によるＧａ空孔生成が起こらない。従って、その後のアニール処理を経ても量子井戸活性層の構造変化が起こらないためであると考えられる。従って、本発明のの半導体レーザ素子において、ＳｉＯ₂膜ををレジストマスクを用いたリフトオフ法によりストライプ状に加工するのが好ましいことがわかる。
【００７５】
なお、上記実施形態１〜実施形態３では、光出射端面およびその近傍に窓構造領域と電流非注入領域を設けたが、光出射端面と光非出射端面側の両方に窓構造領域と電流非注入領域を設けてもよい。
【００７６】
さらに、上記実施形態では多重量子井戸活性層の例について説明したが、単一量子井戸活性層に対しても同様に本発明は適用可能である。また、半導体層の材料としてはＡｌＧａＡｓ系材料を用いたが、赤色レーザ材料として用いられるＩｎＧａＰ系材料およびＩｎＧａＡｌＰ系材料、通信用長波長レーザ材呂うとして用いられるＩｎＧａＡｓ系材料およびＩｎＧａＡｓＰ系材料等の他の材料系を用いることもできる。さらに、第１導電型としてｎ型、第２導電型としてｐ型の半導体層を成長させた半導体レーザ素子、および第１導電型としてｐ型、第２導電型としてｎ型の半導体層を成長させた半導体レーザ素子のいずれについても本発明は適用可能である。但し、Ｇａ空孔の拡散を助長するためには電流ブロック層のドーパントとしてＳｉを用いるのが好ましく、このＳｉはｎ型ドーパントであるので、第１導電型としてｎ型の半導体層を成長させるのが好ましい。
【００７７】
本発明の半導体レーザ素子の製造工程において、成長法としてはＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等を用いることができる。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の半導体レーザ素子によれば、光出射端面およびその近傍に量子井戸活性層を無秩序化した窓構造領域を有しているので、高出力動作時に導波路端面での光吸収を抑制して端面劣化を防ぐことができる。さらに、共振器端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に第１導電型の電流ブロック層を備えているので、導波路部で端面への電流注入を防いで端面破壊レベルを向上させることができる。
【００７９】
この半導体レーザ素子の製造においては、電流ブロック層による電流非注入領域を形成するためのマスクとして、量子井戸活性層に無秩序化領域を形成するためのＳｉＯ₂マスクを用いることができるので、両領域の位置合わせ工程等を付け加えることなく、セルフアラインで電流非注入領域と窓構造領域とを形成することができる。よって、所望の窓構造を備えた半導体レーザ素子の製造工程を簡素化して高歩留まりで作製することができる。
【００８０】
さらに、量子井戸活性層を構成する全井戸層厚を５０ｎｍ以下とすることにより、全井戸層を均一に無秩序化させることができる。よって、窓構造を備えた半導体レーザ素子をさらに高歩留まりで作製することができる。
【００８１】
さらに、第３クラッド層の厚みを１μｍ以上１μｍ以下にすることにより、光出力の飽和を防ぐと共に量子井戸活性層の無秩序化を均一にすることができる。よって、高出力時の特性に優れた窓構造の半導体レーザ素子を高歩留まりで作製することができる。
【００８２】
さらに、電流ブロック層のドーパントとしてＳｉを用いることにより、空孔の拡散を促進させて確実に無秩序化を生じさせることができる。また、電流ブロック層のＳｉキャリア濃度を７×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下にすることにより、量子井戸活性層を均一に無秩序化させると共にＳｉ自身の異常拡散による特性悪化を防ぐことができる。よって、特性に優れた窓構造の半導体レーザ素子を高歩留まりで作製することができる。
【００８３】
さらに、端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けた電流ブロック層の共振器方向の長さを１０μｍ以上６０μｍ以下にすることにより、動作電圧上昇を抑えると共に十分な窓効果を保持することができる。よって、信頼性に優れた窓構造の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８４】
さらに、端面およびその近傍のリッジストライプ上部分に設けた電流ブロック層の層厚を０．５μｍ以上１．０μｍ以下にすれば、コンタクト層を形成した後でもその電流ブロック層部分を容易に確認できるので、無秩序化領域を確認することができ、しかも、再成長後のエッチング除去工程が容易である。よって、所望の窓構造を備えた半導体レーザ素子を高歩留まりで作製することができる。
【００８５】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法によれば、電流非注入領域と量子井戸活性層の無秩序化領域とを、両領域の位置合わせ工程等を行わなくても、セルフアラインで形成することができる。よって、所望の窓構造を有する半導体レーザ素子を高歩留まりで作製することができる。
【００８６】
さらに、このＳｉＯ₂膜をスパッタリング法によって形成することにより、量子井戸活性層の無秩序化に必要なＧａ空孔を確実に生じさせることができる。よって、信頼性に優れた窓構造の半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８７】
さらに、ストライプ状のＳｉＯ₂膜をレジストマスクを用いたリフトオフ法によって形成することにより、後工程での活性領域の構造変化を抑制することができ、信頼性を向上させることができる。よって、信頼性に優れた窓構造の半導体レーザ素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の半導体レーザ素子の構造を示す図であり、（ａ）は光出射端面を含む斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩａ−Ｉａ’線における導波路の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩｂ−Ｉｂ’線における層厚方向の断面図である。
【図２】実施形態１の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）〜（ｈ）は斜視図である。
【図３】実施形態１の半導体レーザ素子における量子井戸活性層のＡｌ組成プロファイルを示す図である。
【図４】実施形態１の半導体レーザ素子における全量子井戸層厚とＣＯＤレベルとの関係を示す図である。
【図５】実施形態１の半導体レーザ素子におけるｐ−ＡｌＧａＡｓ第３クラッド層厚とＣＯＤレベルとの関係を示す図である。
【図６】実施形態１の半導体レーザ素子におけるｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層のキャリア濃度とＣＯＤレベルとの関係を示す図である。
【図７】実施形態１の半導体レーザ素子における電流非注入領域の長さとＣＯＤレベルとの関係を示す図である。
【図８】実施形態３の半導体レーザ素子におけるエージング結果を示す図である。
【図９】従来の窓構造の半導体レーザ素子の構造を示す図であり、（ａ）は光出射端面を含む斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩａ−ＩＩａ’線における導波路の断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ’線における層厚方向の断面図である。
【図１０】従来の窓構造の半導体レーザ素子の製造工程を説明するための図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）〜（ｄ）は斜視図である。
【符号の説明】
１０１基板
１０２第１クラッド層
１０３量子井戸活性層
１０４第２クラッド層
１０５エッチング停止層
１０６第３クラッド層
１０７キャップ層
１０８ストライプ状レジストマスク
１０９リッジストライプ
１１０電流ブロック層
１１１ＳｉＯ₂ストライプ
１１２窓構造領域
１１３レジストマスク
１１４開口部
１１５電流非注入領域
１１６コンタクト層
１１７ｐ型電極
１１８ｎ型電極
１２０光出射端面
１２１光非出射端面
１３０量子井戸層
１３１障壁層
１３２光ガイド層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser device in which a window structure region is provided in the vicinity of a resonator end face and in the vicinity thereof to improve characteristics during high output operation, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to improve the so-called COD (catalytic optical damage) level of the resonator end face of the semiconductor laser element during high output operation, for example, JP-A-9-23037 has a window structure as shown in FIG. A semiconductor laser device having the same is disclosed.
[0003]
In FIG. 9, (a) is a perspective view including a light emitting end face, (b) is a cross-sectional view of the waveguide taken along line IIa-IIa ′ in (a), and (c) is IIb in (a). It is sectional drawing of the layer thickness direction in -IIb 'line.
[0004]
In FIG. 9, 1 is an n-type GaAs substrate, 2 is an n-type AlGaAs first cladding layer, 3 is a quantum well active layer, 4a is a p-type AlGaAs second cladding layer, 4b is a p-type AlGaAs third cladding layer, p-type GaAs contact layer, 6 (shaded portion) is a hole diffusion region, 8 (shaded portion) is a proton injection region, 9 is an n-side electrode, 10 is a p-side electrode, 20 is a light emitting end face of the laser resonator, 3a Is an active region contributing to laser emission of the active layer 3, and 3b is a window structure region formed in the light emitting end face 20 of the active layer 3 and in the vicinity thereof.
[0005]
The manufacture of this semiconductor laser device will be described with reference to FIG.
[0006]
First, as shown in FIG. 10A, an n-type AlGaAs first cladding layer 2, a quantum well active layer 3, and a p-type AlGaAs second cladding layer 4a are epitaxially grown on an n-type GaAs substrate 1 in order.
[0007]
Next, as shown in FIG. 10B, the surface of the second cladding layer 4a is made of SiO. ₂ A stripe-shaped opening 16a is formed which is covered with the film 16 and extends in the laser resonator direction with a length that does not reach the end face of the laser resonator.
[0008]
Subsequently, when this wafer is annealed at a temperature of 800 ° C. or higher in an As atmosphere, SiO 2 ₂ The film 16 absorbs Ga atoms from the surface of the second cladding layer 4a in contact with the film 16 and generates Ga vacancies in the second cladding layer 4a. Furthermore, when these vacancies diffuse into the crystal by annealing and reach the quantum well active layer, the quantum well structure is disordered. In the disordered active layer region, the effective forbidden band width is widened, so that it functions as a window structure region that is transparent to the oscillation laser light.
[0009]
Then SiO ₂ The film 16 is removed, and as shown in FIG. 10C, the p-type AlGaAs third cladding layer 4b and the p-type GaAs contact layer 5 are sequentially epitaxially regrown on the second cladding layer 4a.
[0010]
Next, a resist film is formed on the contact layer 5, and the above-described SiO2 is formed by a photolithography technique. ₂ A stripe-shaped resist 17 as shown in FIG. 10D is formed in the same region as the stripe-shaped opening 16a of the film. Then, using this resist 17 as a mask, proton implantation is performed from above the contact layer 5 to form a high resistance region 8 to be a current blocking layer.
[0011]
Finally, an n-side electrode 9 is formed on the GaAs substrate 1 side, and a p-side electrode 10 is formed on the contact layer 5, and the cavity facet is formed by cleaving the wafer to obtain the semiconductor laser device shown in FIG.
[0012]
According to this publication, according to this conventional semiconductor laser device, compared with the case where the active layer is disordered by ion implantation, the semiconductor laser device having a window structure can perform the high light output operation inherently and end face destruction. It is described that high reliability can be obtained by increasing the level.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method for manufacturing a semiconductor laser device has the following problems.
[0014]
After forming the window structure region, SiO ₂ When the film is removed, the boundary between the window structure region and the active region cannot be determined. Therefore, in order to align the resist region serving as the proton implantation mask and the window structure region when forming the current blocking layer, it is necessary to perform a positioning marking process or the like separately.
[0015]
Furthermore, when the active region reaches the laser end face, or when the window structure region and the proton region are displaced, the reliability and various characteristics of the semiconductor laser device deteriorate, so that high accuracy is required for the alignment.
[0016]
For these reasons, the conventional semiconductor laser element structure requires a high technique for increasing the number of processes and maintaining accuracy, and has a problem that the yield cannot be increased during mass production of semiconductor laser elements.
[0017]
The present invention has been made to solve such problems of the prior art, and provides a semiconductor laser device having a window structure that is excellent in reliability during high output operation and can be manufactured with high yield, and a method for manufacturing the same. The purpose is to do.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The method of manufacturing a semiconductor laser device according to the present invention includes at least a first conductivity type first cladding layer, a quantum well active layer, a second conductivity type second cladding layer, and a second conductivity type on a first conductivity type substrate. Sequentially growing the third cladding layer and the second conductivity type cap layer, processing the third cladding layer and the cap layer into a ridge stripe shape in the resonator direction, and both side surfaces of the ridge stripe; And a step of growing a current block layer of the first conductivity type over the ridge stripe, and a stripe-like SiO in a direction substantially orthogonal to the ridge stripe on the current block layer ₂ Forming a film; Then anneal The SiO ₂ Selectively disordering the quantum well active layer portion directly under the film; Then Striped SiO ₂ Using the film as a mask, the SiO 2 on the ridge stripe ₂ Removing the current blocking layer other than the region provided with the film to expose the cap layer portion; and Then Forming a resonator so that at least the light emitting end face includes the disordered region of the quantum well active layer.
SiO ₂ The film is preferably formed by a sputtering method.
SiO ₂ The film is preferably formed in a stripe shape by a lift-off method using a resist mask.
[0019]
The total well layer thickness constituting the quantum well active layer is preferably 50 nm or less.
[0020]
The layer thickness of the third cladding layer is preferably 1.0 μm or more and 1.5 μm or less.
[0021]
The dopant of the current blocking layer is Si, and the carrier concentration thereof is 7 × 10. ¹⁷

cm

^-3 5 × 10 or more ¹⁸ cm ^-3 It is preferable that:
[0022]
The current blocking layer provided on the end face and on the ridge stripe in the vicinity thereof preferably has a length in the resonator direction of 10 μm or more and 60 μm or less.
[0023]
The current blocking layer provided on the end face and in the vicinity of the ridge stripe in the vicinity thereof preferably has a layer thickness of 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.
[0027]
The operation of the present invention will be described below.
[0028]
In the present invention, since it has a window structure region in which the quantum well active layer is disordered at the light emitting end face and in the vicinity thereof, light absorption at the end face is suppressed during high output operation to prevent end face deterioration. Can do. Further, since the first conductivity type current blocking layer is provided on the resonator end face and in the vicinity of the ridge stripe in the vicinity thereof, it is possible to prevent the current injection into the end face in the waveguide portion and improve the end face breakdown level. The ridge stripe is composed of a second conductivity type third cladding layer, and may further have a second conductivity type cap layer.
[0029]
This semiconductor laser element is made of, for example, SiO as a mask for forming a current non-injection region on the cavity end face and on the ridge stripe in the vicinity thereof. ₂ If a film is used, this SiO ₂ The disordered region of the quantum well active layer can be formed by the film. Therefore, the current non-injection region and the window structure region can be formed by self-alignment without performing the alignment process of both regions.
[0030]
If the thickness of all well layers constituting the quantum well active layer is 50 nm or less, it is possible to uniformly disorder all well layers.
[0031]
Further, if the layer thickness of the third cladding layer is 1.5 μm or less, the quantum well active layer and SiO 2 ₂ Since the distance to the mask is short, it is possible to uniformly disorder all well layers. Furthermore, if the thickness of the third cladding layer is 1 μm or more, the light output is not saturated even during high output operation, which is preferable.
[0032]
If Si is used as a dopant for the current blocking layer, it is possible to promote disordering of the vacancies and to ensure disorder. Furthermore, the carrier concentration of the current blocking layer is 7 × 10 ¹⁷ cm ^-3 If it is above, it is possible to make a quantum well active layer uniformly disordered, and it is 5 * 10. ¹⁸ cm ^-3 If it is below, it is possible to prevent the characteristic deterioration by abnormal diffusion of Si itself.
[0033]
The current blocking layer provided on the end face and on the ridge stripe in the vicinity thereof can maintain a sufficient window effect if the length in the resonator direction is 10 μm or more and 60 μm or less.
[0034]
Furthermore, if the thickness of the current blocking layer provided on the end face and the portion on the ridge stripe in the vicinity thereof is 0.5 μm or more, the current blocking layer portion can be easily confirmed even after the contact layer is formed. Further, if the current blocking layer portion is 1.5 μm or less, an etching removal step for exposing the ridge stripe portion after regrowth is easy, and the yield during mass production is improved.
[0035]
In the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, a laser structure and a ridge stripe are formed, a current blocking layer is grown on the entire surface of the substrate, and then a cap layer serving as a current path is exposed. Striped SiO in orthogonal direction ₂ A film is formed to form this SiO ₂ The cap layer portion that is not orthogonal to the film is exposed. This SiO ₂ The film has a role as an etching mask for forming a current non-injection region leaving a current blocking layer at and near the resonator end face, and SiO 2 ₂ It also has the role of selectively disordering the quantum well active layer portion directly under the film. Therefore, it is possible to form the current non-injection region and the disordered region of the quantum well active layer by self-alignment without performing the alignment process of both regions.
[0036]
SiO ₂ Forming the film by a sputtering method is preferable because Ga vacancies necessary for disordering can be reliably generated.
[0037]
Furthermore, the SiO ₂ It is preferable to form the film in a stripe shape by a lift-off method using a resist mask because the structural change of the active region in a later process can be suppressed and the reliability is improved.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0039]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the structure of the semiconductor laser device of this embodiment. (A) is a perspective view including a light emitting end surface, (b) is a cross-sectional view of a waveguide taken along line Ia-Ia ′ in (a), and (c) is taken along line Ib-Ib ′ in (a). It is sectional drawing of a layer thickness direction.
[0040]
This semiconductor laser element is formed on an n-GaAs substrate 1 with n-Al. _0.5 Ga _0.5 As first cladding layer 102, non-doped quantum well active layer 103, p-Al _0.5 Ga _0.5 An As second cladding layer 104 and a p-GaAs etching stop layer 105 are provided.
[0041]
On top of that, p-Al _0.5 Ga _0.5 A ridge stripe 109 composed of an As third cladding layer 106 and a p-GaAs cap layer 107 is provided, and the side surface of the ridge stripe 109 is n-Al. _0.7 Ga _0.3 The As current blocking layer 110 is embedded. In the vicinity of the light emitting end face 120 of the resonator and in the vicinity thereof, the current blocking layer 110 is also provided on the cap layer 107 to form a current non-injection region 115. The implantation region 115 is not provided. A p-GaAs contact layer 116 is provided over the ridge stripe 109 on which the current blocking layer 110 and the current blocking layer are not provided, and a p-type electrode 117 is provided thereon. An n-type electrode is provided on the substrate 101 side. 118 is provided.
[0042]
Further, the light emitting end face 120 and the quantum well active layer 103 in the vicinity thereof have a window structure region 112 whose effective forbidden band width is widened by disordering below the current non-injection region 115.
[0043]
In FIG. 1C, the cap layer 107 is different from the shape of FIG. 1A because it is slightly eroded when etching is performed. In FIG. 1C, the cap layer 107 is indicated by a dotted line because the cap layer 107 and the contact layer 116 are of the same material and conductivity type and cannot be separated from each other both functionally and visually. is there.
[0044]
This semiconductor laser element can be manufactured as follows, for example.
[0045]
First, the n-GaAs substrate 101 is set in a growth apparatus and the first crystal growth is performed, so that the carrier concentration is 1 × 10 6 as shown in FIG. ¹⁸ cm ^-3 N-Al with a thickness of 1.0 μm _0.5 Ga _0.5 As first cladding layer 102, non-doped quantum well active layer 103, carrier concentration 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 P-Al with a thickness of 0.17 μm _0.5 Ga _0.5 As second cladding layer 104, carrier concentration 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 P-GaAs etching stop layer 105 having a thickness of 0.003 μm and a carrier concentration of 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 P-Al with a thickness of 1.2 μm _0.5 Ga _0.5 As third cladding layer 106 and carrier concentration 1 × 10 ¹⁸ cm ^-3 The p-GaAs cap layer 107 having a thickness of 0.7 μm is sequentially grown.
[0046]
At this time, as the non-doped quantum well active layer 103, Al having a thickness of 0.01 μm as shown in FIG. _0.1 Ga _0.9 As quantum well layer 130, two layers of Al with a thickness of 0.005 μm _0.35 Ga _0.65 As barrier layer 131 and 0.03 μm thick Al _0.35 Ga _0.65 A triple quantum well structure composed of the As light guide layer 132 is formed.
[0047]
Next, the substrate on which the semiconductor layer is formed is taken out from the growth apparatus, and a striped resist mask 108 as shown in FIG. 2B is formed on the cap layer 107 by using a known photolithography technique. Then, the third cladding layer 106 and the cap layer 107 are processed into a ridge stripe 109 shape so as to reach the etching stop layer 105 using a known selective etching technique. In the present embodiment, etching is performed halfway through the third cladding layer 106 using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, and then etching stop made of GaAs using hydrofluoric acid having selectivity for GaAs. Etching in the depth direction was stopped at layer 105. The ridge width at this time was adjusted to be 2 μm to 3 μm at the interface with the etching stopper layer 105.
[0048]
Subsequently, the resist mask is removed, the substrate is set again in the growth apparatus, and a second crystal growth is performed, so that the carrier concentration is 3 × 10 4 as shown in FIG. ¹⁸ cm ^-3 N-Al with a thickness of 1.0 μm _0.7 Ga _0.3 An As current blocking layer 110 is grown.
[0049]
Thereafter, the substrate is taken out of the growth apparatus again, and as shown in FIG. ₂ The stripe 111 is formed so as to be orthogonal to the ridge stripe 109. SiO at this time ₂ The length of the stripe 111 in the resonator direction was 40 μm, and the stripe interval was 800 μm, which is the same as the laser resonator length.
[0050]
Next, the substrate is annealed at 800 ° C. for 5 minutes in an As atmosphere. During this annealing, SiO ₂ Ga atoms are absorbed from the surface of the n-AlGaAs crystal immediately below the stripe 111, and Ga vacancies are generated inside the n-AlGaAs crystal. Since these Ga vacancies have a large diffusion constant, they immediately diffuse in the direction of the substrate and when the quantum well active layer 103 is reached, the quantum well structure is disordered. As a result, as shown in FIG. ₂ A window structure region 112 having a wider effective forbidden band width than the quantum well active region other than just under the stripe 111 is formed.
[0051]
Subsequently, as shown in FIG. 2F, the resist mask 113 and the SiO 2 ₂ Using the stripe 111 as a mask, the current blocking layer 110 exposed from the resist opening 114 is removed by etching until the cap layer 107 is reached. In this embodiment, etching is performed with time control using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. By this process, SiO ₂ The current blocking layer 110 immediately below the stripe 111 is left as a current non-injection region 115. Thereafter, as shown in FIG. 2G, the resist mask 113 and the SiO 2 ₂ Stripe 111 is removed.
[0052]
Next, the substrate is set again in the growth apparatus, and the third crystal growth is performed, so that the carrier concentration is 5 × 10 5 as shown in FIG. ¹⁸ cm ^-3 A p-GaAs contact layer 116 having a thickness of 2.0 μm is grown.
[0053]
Thereafter,

ohmic electrodes

117 and 118 are formed on the upper surface of the contact layer 116 and the lower surface of the substrate 101, respectively, and the wafer is cleaved to adjust the resonator length to 800 μm. At this time, the resonator is formed so that the cleavage position includes the current non-injection region 115.
[0054]
Finally, a coating film is formed on the cleaved both end faces 120 and 121. In the present embodiment, the light exit end face 120 is made of Al having a reflectance of 15%. ₂ O _Three A film is formed and Al having a reflectance of 90% is formed on the non-light-emitting end face 121. ₂ O _Three A film was formed. As described above, the semiconductor laser device of this embodiment shown in FIG. 1 is obtained.
[0055]
Thus, the semiconductor laser device of this embodiment is made of SiO 2 ₂ The stripe 111 forms a self-aligned current non-injection region 115 by the current blocking layer 110 left on the light emitting end face and the vicinity of the ridge stripe in the vicinity thereof, and a window structure region 112 by disordering of the quantum well active layer 103. The Therefore, as compared with a conventional semiconductor laser device in which both regions are manufactured in separate processes, a process such as alignment between both regions is not required, and a characteristic defect due to misalignment does not occur.
[0056]
Further, the surface of the current non-injection region 115 is higher than the other flat portion by the thickness of the current blocking layer 110, and the step exists even after the contact layer 116 is formed by the MOCVD method or the MBE method. Therefore, when forming a laser resonator by cleavage, it is easy to form the resonator so that the cleavage position includes the current non-injection region 115. At this time, if the layer thickness of the current blocking layer provided on the end face and the ridge stripe in the vicinity thereof is 0.1 μm or more, the function can be sufficiently achieved, but the step confirmation is performed after the contact layer 116 is formed. In order to facilitate, it is preferably 0.5 μm or more. Further, in order to etch away the current blocking layer 110 other than the current non-injection region 115 grown on the cap layer 107 after the second crystal growth with a high yield, the thickness of the current blocking layer is 1.5 μm or less. Preferably there is.
[0057]
Next, the number and the thickness of the quantum well layers 130 in the quantum well active layer 103 are changed to fabricate the semiconductor laser device of this embodiment, and the relationship between the total quantum well layer thickness and the COD level of the semiconductor laser device. FIG. 4 shows the result of examination. The Al composition ratio of the quantum well layer 130 at this time was adjusted so that the laser oscillation wavelength was 780 nm.
[0058]
FIG. 4 shows that the COD level decreases when the total quantum well layer thickness exceeds 50 nm, regardless of the number of layers. The reason for this is that if the total quantum well layer thickness exceeds 50 nm, all the quantum well layers are not uniformly disordered, and the laser beam is absorbed to reach COD. Therefore, it can be seen that in the semiconductor laser device of the present invention, the total quantum well layer thickness is preferably 50 nm or less.
[0059]
Next, the semiconductor laser device of this embodiment was manufactured by changing the layer thickness of the p-AlGaAs third cladding layer 106, and the relationship between the layer thickness of the third cladding layer and the COD level of the semiconductor laser device was examined. Is shown in FIG.
[0060]
From FIG. 5, when the thickness of the third cladding layer 106 is less than 1.0 μm, the light output is saturated due to light absorption by the cap layer 107, and COD is not achieved. On the other hand, when the layer thickness of the third cladding layer 106 exceeded 1.5 μm, the COD level decreased. The reason for this is that SiO, which is the source of Ga vacancies ₂ Since the distance from the stripe 111 to the quantum well active layer 103 becomes long, the quantum well layer is not uniformly disordered, and it is considered that the laser beam is absorbed and reaches COD. Accordingly, it can be seen that in the semiconductor laser device of the present invention, the thickness of the third cladding layer is preferably 1.0 μm or more and 1.5 μm or less.
[0061]
Next, the semiconductor laser device of this embodiment is manufactured by changing the dopant and carrier concentration of the n-AlGaAs current blocking layer 110, and the relationship between the dopant type and carrier concentration of the current blocking layer and the COD level of the semiconductor laser device is shown. The result of the examination is shown in FIG. Si and Se were used as dopants at this time.
[0062]
FIG. 6 shows that the COD level is higher when Si is used than when Se is used as the dopant. The reason can be considered as follows. Since Si is an amphoteric species, it can enter any of the group III and V lattice positions, but this Si (III) and Si (V) pair is electrically neutral, so that the valence state can be changed. And can easily move in the crystal lattice. Thus, it is assumed that there is a function of promoting the diffusion of Ga vacancies, and it is considered that disordering can be surely caused.
[0063]
Further, from FIG. 6, the carrier concentration of the current blocking layer is 7 × 10. ¹⁷ cm ^-3 From the above, it can be seen that the COD level rapidly increases. The reason is 7 × 10 ¹⁷ cm ^-3 If it is less than this, it is difficult to form a pair of Si (III) and Si (V), so it is considered that disordering due to diffusion of Ga vacancies is not promoted. On the other hand, the carrier concentration is 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 Since the carrier concentration is too high, the p-AlGaAs second cladding layer 104 becomes n-type, the pn junction position shifts, etc., and good laser characteristics cannot be obtained. Therefore, in the semiconductor laser device of the present invention, the carrier concentration of the current blocking layer is 7 × 10. ¹⁷

cm

^-3 5 × 10 or more ¹⁸ cm ^-3 It can be seen that the following is preferable.
[0064]
Next, the length of the current non-injection region 115 in the resonator direction by the current blocking layer 110 formed in the light emitting end face 120 and the vicinity thereof is changed to produce the semiconductor laser device of this embodiment, and the current non-injection region 115. FIG. 7 shows the result of examining the relationship between the length of the semiconductor laser, the COD level of the semiconductor laser element, and the operating voltage.
[0065]
From FIG. 7, it can be seen that if the length of the current non-injection region 115 in the resonator direction is less than 10 μm, a sufficient end face non-injection effect cannot be obtained and the COD level is lowered. On the other hand, when the length of the current non-injection region 115 in the resonator direction exceeds 60 μm, the COD level is high, but the operating voltage increases because the current path is narrowed. Therefore, it can be seen that in the semiconductor laser device of the present invention, the length of the current non-injection region 115 in the resonator direction is preferably 10 μm to 60 μm.
[0066]
(Embodiment 2)
In this embodiment, SiO ₂ Stripes 111 were formed by sputtering, plasma CVD, and electron beam evaporation, respectively, and the COD levels were compared. Other structures and manufacturing methods were the same as those in the first embodiment.
[0067]
Table 1 below shows each SiO ₂ The COD level by a film formation method is shown.
[0068]
[Table 1]

[0069]
From this Table 1, SiO 2 is obtained by sputtering. ₂ It can be seen that the semiconductor laser element on which the film is formed has the highest COD level.
[0070]
The reason for this is that SiO by sputtering is used. ₂ This is presumably because the film has excellent adhesion to the base and is likely to generate and diffuse Ga vacancies. Therefore, in the semiconductor laser device of the present invention, SiO ₂ It can be seen that the film is preferably formed by sputtering.
[0071]
(Embodiment 3)
In this embodiment, SiO ₂ When forming the stripe 111, a resist film having a pattern opposite to the stripe is formed in advance, and SiO 2 is formed thereon. ₂ After forming the film, unnecessary SiO ₂ A non-implanted region was formed by a so-called “lift-off method” in which the film portion was removed together with the resist, and a semiconductor laser device was manufactured. Furthermore, for comparison, SiO ₂ After the film is formed on the entire surface, a resist stripe is formed, and SiO 2 is etched. ₂ A semiconductor laser device was fabricated by forming stripes 111. Other structures and manufacturing methods were the same as those in the first embodiment.
[0072]
FIG. 8 shows the aging results of performing a life test of 1000 hours for both semiconductor laser elements. The life test was performed under continuous driving conditions of an operating temperature of 60 ° C. and a laser output of 120 mW.
[0073]
Usually, if the aging life is 1000 hours or longer, no problem occurs in use. As shown in FIG. 8, SiO 2 is etched by an etching method. ₂ A semiconductor laser device having a stripe-processed film also satisfies this standard, but it is SiO 2 by a lift-off method. ₂ It can be seen that the semiconductor laser device processed with the film has a longer life.
[0074]
The reason for this is considered as follows. SiO ₂ Ga vacancies are generated under the stripe 111 mainly after the annealing process, but even before the annealing process, the SiO holes are generated. ₂ At the AlGaAs interface where the film is in contact, SiO ₂ Some Ga vacancies are generated by the temperature and impact during film formation. When the lift-off method is used, since regions other than the disordered region are masked in advance, SiO ₂ Ga vacancies are not generated by the film. Therefore, it is considered that the structural change of the quantum well active layer does not occur even after the subsequent annealing treatment. Therefore, in the semiconductor laser device of the present invention, SiO ₂ It can be seen that the film is preferably processed into a stripe shape by a lift-off method using a resist mask.
[0075]
In the first to third embodiments, the window structure region and the current non-injection region are provided on the light emitting end face and in the vicinity thereof. An implantation region may be provided.
[0076]
Furthermore, although the example of the multiple quantum well active layer has been described in the above embodiment, the present invention can be similarly applied to a single quantum well active layer. In addition, AlGaAs-based materials are used as the material of the semiconductor layer, but InGaP-based materials and InGaAlP-based materials used as red laser materials, InGaAs-based materials and InGaAsP-based materials used as communication long-wavelength laser materials, etc. Other material systems can also be used. Further, an n-type semiconductor layer is grown as a first conductivity type, a p-type semiconductor layer is grown as a second conductivity type, and an n-type semiconductor layer is grown as a p-type first conductivity type and a second conductivity type. The present invention is applicable to any semiconductor laser element. However, in order to promote the diffusion of Ga vacancies, it is preferable to use Si as a dopant for the current blocking layer. Since this Si is an n-type dopant, an n-type semiconductor layer is grown as the first conductivity type. Is preferred.
[0077]
In the manufacturing process of the semiconductor laser device of the present invention, an MOCVD method, an MBE method, or the like can be used as a growth method.
[0078]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the semiconductor laser device of the present invention, the light emitting end face and the vicinity thereof have a window structure region in which the quantum well active layer is disordered. It is possible to prevent end face deterioration by suppressing light absorption. Further, since the first conductivity type current blocking layer is provided on the resonator end face and in the vicinity of the ridge stripe in the vicinity thereof, it is possible to prevent the current injection into the end face in the waveguide portion and improve the end face breakdown level.
[0079]
In the manufacture of this semiconductor laser device, as a mask for forming a current non-injection region by the current blocking layer, SiO for forming a disordered region in the quantum well active layer. ₂ Since a mask can be used, the current non-injection region and the window structure region can be formed by self-alignment without adding an alignment step for both regions. Therefore, the manufacturing process of a semiconductor laser device having a desired window structure can be simplified and manufactured with a high yield.
[0080]
Furthermore, by setting the thickness of all well layers constituting the quantum well active layer to 50 nm or less, all the well layers can be uniformly disordered. Therefore, a semiconductor laser element having a window structure can be manufactured with a higher yield.
[0081]
Furthermore, by setting the thickness of the third cladding layer to 1 μm or more and 1 μm or less, saturation of the light output can be prevented and the disordering of the quantum well active layer can be made uniform. Therefore, a semiconductor laser element having a window structure with excellent characteristics at the time of high output can be manufactured with a high yield.
[0082]
Furthermore, by using Si as a dopant for the current blocking layer, it is possible to promote the diffusion of vacancies and reliably cause disordering. Further, the Si carrier concentration of the current blocking layer is set to 7 × 10. ¹⁷

cm

^-3 5 × 10 or more ¹⁸ cm ^-3 By making the following, it is possible to uniformly disorder the quantum well active layer and to prevent deterioration of characteristics due to abnormal diffusion of Si itself. Therefore, a semiconductor laser element having a window structure with excellent characteristics can be manufactured with a high yield.
[0083]
Furthermore, by setting the length in the resonator direction of the current blocking layer provided on the ridge stripe in the vicinity of the end face and in the vicinity thereof to 10 μm or more and 60 μm or less, it is possible to suppress an increase in operating voltage and maintain a sufficient window effect. . Therefore, a semiconductor laser device having a window structure with excellent reliability can be obtained.
[0084]
Furthermore, if the thickness of the current blocking layer provided on the end face and the ridge stripe in the vicinity thereof is 0.5 μm or more and 1.0 μm or less, the current blocking layer portion can be easily confirmed even after the contact layer is formed. Therefore, the disordered region can be confirmed, and the etching removal process after regrowth is easy. Therefore, a semiconductor laser device having a desired window structure can be manufactured with a high yield.
[0085]
According to the method for manufacturing a semiconductor laser device of the present invention, the current non-injection region and the disordered region of the quantum well active layer can be formed by self-alignment without performing the alignment step of both regions. . Therefore, a semiconductor laser element having a desired window structure can be manufactured with a high yield.
[0086]
Furthermore, this SiO ₂ By forming the film by the sputtering method, Ga vacancies necessary for disordering the quantum well active layer can be surely generated. Therefore, a semiconductor laser device having a window structure with excellent reliability can be obtained.
[0087]
Furthermore, striped SiO ₂ By forming the film by a lift-off method using a resist mask, a structural change of the active region in a later process can be suppressed, and reliability can be improved. Therefore, a semiconductor laser device having a window structure with excellent reliability can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A is a perspective view including a light emitting end surface, and FIG. 1B is a perspective view of a waveguide along a line Ia-Ia ′ in FIG. It is sectional drawing, (c) is sectional drawing of the layer thickness direction in the Ib-Ib 'line | wire of (a).
2A and 2B are diagrams for explaining a manufacturing process of the semiconductor laser device of the first embodiment, wherein FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIGS. 2B to 2H are perspective views.
3 is a diagram showing an Al composition profile of a quantum well active layer in the semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
4 is a diagram showing the relationship between the total quantum well layer thickness and the COD level in the semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
5 is a diagram showing the relationship between the p-AlGaAs third cladding layer thickness and the COD level in the semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
6 is a diagram showing the relationship between the carrier concentration of the n-AlGaAs current blocking layer and the COD level in the semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
7 is a diagram showing the relationship between the length of a current non-injection region and the COD level in the semiconductor laser device of Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an aging result in the semiconductor laser device of the third embodiment.
9A and 9B are diagrams showing a structure of a conventional semiconductor laser device having a window structure, in which FIG. 9A is a perspective view including a light emitting end face, and FIG. 9B is a waveguide along a line IIa-IIa ′ in FIG. (C) is sectional drawing of the layer thickness direction in the IIb-IIb 'line of (a).
10A and 10B are views for explaining a manufacturing process of a conventional semiconductor laser device having a window structure, wherein FIG. 10A is a cross-sectional view, and FIGS. 10B to 10D are perspective views.
[Explanation of symbols]
101 substrate
102 First cladding layer
103 quantum well active layer
104 Second cladding layer
105 Etching stop layer
106 Third cladding layer
107 cap layer
108 Striped resist mask
109 Ridge stripe
110 Current blocking layer
111 SiO ₂ stripe
112 Window structure area
113 resist mask
114 opening
115 Current non-injection region
116 Contact layer
117 p-type electrode
118 n-type electrode
120 Light exit end face
121 Non-light emitting end face
130 Quantum well layer
131 Barrier layer
132 Light guide layer

Claims

On the first conductivity type substrate, at least a first conductivity type first cladding layer, a quantum well active layer, a second conductivity type second cladding layer, a second conductivity type third cladding layer, and a second conductivity type A step of sequentially growing the cap layer;
Processing the third cladding layer and the cap layer into a ridge stripe in the direction of the resonator;
Growing a first conductivity type current blocking layer on both sides of the ridge stripe and on the ridge stripe;
Forming a striped SiO ₂ film in a direction substantially perpendicular to the ridge stripe on the current blocking layer;
Next, a step of selectively disordering the quantum well active layer portion directly under the SiO ₂ film by annealing ,
Next, using the striped SiO ₂ film as a mask, removing the current blocking layer other than the region where the SiO ₂ film is provided on the ridge stripe to expose the cap layer portion;
And a step of forming a resonator so that at least the light emitting end face includes the disordered region of the quantum well active layer.

The method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the SiO ₂ film is formed by a sputtering method.

_{3. The} method of manufacturing a semiconductor laser device according to claim 1, wherein the SiO2 film is formed in a stripe shape by a lift-off method using a resist mask.